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BedarfsgerechteAuswahl vonKleintransformatoren

Sonderdruck s. 193

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Herausgeber:Deutsches KupferinstitutAuskunfts- und Beratungsstellefür die Verwendung vonKupfer und Kupferlegierungen

Am Bonneshof 540474 Düsseldorf Telefon: (0211) 4 79 63 00Telefax: (0211) 4 7963 10info@kupferinstitut.dewww.kupferinstitut.de

Erschienen im «Bulletin» desSchweizerischen Elektrotechnischen VereinsSEV/ASE und des Verbandes Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen VSE/AESNr. 3/02, 7/02, 9/02, 15/02, 17/02

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Bedarfsgerechte Auswahl von Kleintransformatoren | 3

allerdings mit einem Phasenwinkel vonim ersten Fall 7° und im zweiten Fall 47°,denn die in radialer Richtung in einereinzigen Wickelkammer übereinandergewickelten Wicklungen ergeben eine

wesentlich engere magnetische Kopp-lung zwischen Eingangs- und Ausgangs-seite als die in axialer Richtung vor-einander liegenden Wicklungen auf dem Zweikammer-Spulenkörper. Ent-sprechend unterschiedlich sind das mag-netische Streufeld und die Streureaktanzbei gleichen ohmschen Widerständen.

Extrem wird dies bei Transformatorenmit UI-Kern2 («Kerntrafo», Bilder 1 und2, jeweils rechts). Üblicherweise werdendiese in Einkammer-Technik bewickeltund beide Wicklungen je zur Hälfte auf

die beiden Schenkel aufgeteilt (Bild 3a).Das gibt einen streufeldarmen Trafo ab.Es gibt auch Zweikammer-Spulenkörperfür UI-Kerne, die allerdings mit zuneh-mender Größe immer seltener verwendetwerden. Kommen sie jedoch zum Ein-satz, ergeben sich in etwa die gleichenVerhältnisse wie bei einem EI-Lang-schnitt-Typ (Bilder 1 und 2 Mitte) ver-gleichbarer Leistung. Dabei werden abergleiche Bauleistungen nicht mit gleicherNennschnittgröße (Maß b in Bild 2) nachDIN 41302 erzielt. So entspricht bei-spielsweise ein UI48 in etwa einem EI66

(«Manteltrafo») bzw. einem EI54 Lang-schnitt gleicher Schichthöhe. Darüberhinaus besteht beim UI-Kern im Gegen-

satz zu den EI-Typen die Möglichkeit, dieEingangswicklung auf einen Schenkelund die Ausgangswicklung auf den ande-ren Schenkel zu wickeln (Bild 3b), wasnatürlich geringere Produktionskostenverursacht als die beiden anderen Be-wicklungsmöglichkeiten. Ein solcher

Trafo hat aber ein ungewöhnlich hohesStreufeld, und sein Kurzschlussstrom istim Extremfall nicht viel größer als derBemessungsstrom, auf jeden Fall aberganz erheblich kleiner als bei Versionenmit aufgeteilten Wicklungen. Diese Ei-genschaft ist nur in Sonderfällen er-wünscht, auch wenn das Beherrschen vonKurzschlüssen dadurch natürlich erleich-tert wird.

Als typisches Beispiel für einen sol-chen Sonderfall lässt sich hier der inFinnland gefertigte Third Harmonic Fil-ter (THF) nennen (Bild 4), der das Flie-

ßen der dritten Strom-Oberschwingungim Neutralleiter eines Dreiphasennetzesverhindern soll [1].

Bedarfsgerechte Auswahl vonKleintransformatoren

Wenn den Entwicklern elektronischer Geräte im letzten Momenteinfällt, auf ihrer Platine auch noch eine Stromversorgung unter-

bringen zu müssen, wundern sie sich häufig über die Grösse des

erforderlichen Netztransformators.

Bauformen

Die feinen Unterschiede zwischen den

Bauformen

Die Bemessungsleistung für Klein-

transformatoren ist definitionsgemäß dieAusgangsscheinleistung des Trafos.Haben die Entwickler auf der Gleich-stromseite einen Leistungsbedarf vonbeispielsweise 10 W ermittelt, bietetihnen der Hersteller einen passendenTrafo mit 14 VA, 16 VA oder auch schoneinmal 18 VA Bemessungsleistung an.Beim Gleichrichten entsteht Verzerrungs-blindleistung und ein entsprechend gro-

ßer Formfaktor. Zwar dämpft der Trafo –anders als beim Schaltnetzteil – diesenVerzerrungseffekt, doch hängt das Aus-maß dieser dämpfenden Wirkung in sehrstarkem Maße von Größe und Bauformdes Transformators ab: Es wird durch denohmschen und vor allem durch den in-duktiven Spannungsfall im Trafo be-stimmt.

Bei den kleinsten Transformatoren(um 1 VA) dominiert stets der ohmscheSpannungsfall. Er beträgt in der Regeletwa 45% der Leerlaufspannung. DieStreureaktanz spielt überhaupt keine

Rolle. Schon im Bereich um 30 VA aberändert sich dies gewaltig. Je nach Bau-form – vor allem der Lage der Wicklun-gen zueinander – kann in diesem Bereichdie Streureaktanz im Vergleich zu denWicklungswiderständen entweder ver-schwindend gering oder bereits etwagleich groß sein. Dies gilt bis hinauf zueiner Größe von einigen kVA. So wurdebeispielsweise ein Transformator EI961,2,Schichthöhe 47,5 mm (≈200 VA), miteinem professionellen Rechenprogrammeinmal mit Einkammer-Spulenkörper und

einmal – mit den gleichen Wickeldaten –mit Zweikammer-Spulenkörper berech-net. Im Kurzschluss stellt er, wie jederTrafo, eine ohmsch-induktive Last dar,

Stefan Fassbinder

Bild 1 Gebräuchliche Kernschnitte

Transformatoren mit gleichen Eisenquerschnitten,aber unterschiedlichen Kernschnitten (EI66 Standard,EI66 lang, UI66). Obwohl alle mit Zweikammer-Spulenkörper ausgeführt, ergeben sich Unterschiedebei Masse, Volumen, Bauleistung und vor allem imBetriebsverhalten.

Bild 2 Bei den Kern-schnitten EI (links), EIlang (Mitte) und UI(rechts) stehen bei deneinzelnen Kerngrössen(Kernbreite b) jeweils alleMasse im gleichen Ver-hältnis zueinander.

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Bei der in Deutschland gebauten Vari-ante THX (Bild 5) wird die Kapazitätmittels eines Transformators in den Neu-tralleiter eingekoppelt, damit man in derAuswahl der Kondensatoren flexibel istund auf Lagertypen zurückgreifen kann.Dieser Transformator wird mit so hoherStreuinduktivität ausgelegt, dass er dieDrossel gleich mit ersetzt.

Tendenziell führt auch die EI-Lang-Kernschnittform, die bei sonst gleichenKernmaßen doppelt so lange Wickel-fenster hat wie die EI-Standard-Bauform,zu großen Streufeldern, wenn Zweikam-

mer-Spulenkörper gewählt werden. Zumeinen bietet sie brutto doppelt so viel Wi-ckelraum (netto sogar noch etwas mehr,weil das abzuziehende Volumen der Spu-lenkörperstege sich nicht verdoppelt).Das führt zu einem anderen Verhältnisder Einsatzmenge von Kupfer und Eisenund somit zu einem etwas anderen Be-triebsverhalten. Zum anderen ist derUnterschied zwischen der Ein- und derZweikammerbewicklung hier wegender langgestreckten Bauform noch vielgrößer.

Dabei sind die Kosten für das Stanzenbei der Wahl des Blechschnitts kein Ar-gument. Alle drei genannten Schnittfor-men lassen sich ohne Abfall und in einem

Arbeitsgang aus Blechrollen der passen-den Breite (Maß b in Bild 2) stanzen:Zunächst werden die I-Bleche paarweiselängs aus dem Band gestanzt, dann wirddas Band quer in Stücke geschnitten, sodass es in lauter E-Bleche, oder vielmehrwechselweise ein «E» und ein «∃» zer-

fällt. Die einzige Einschränkung ist, dassbeim EI-Langschnitt je E-Blech zwei I-Bleche und somit doppelt so viele wiebenötigt anfallen. Diese lassen sich je-doch als Streifenbleche noch für andereZwecke verkaufen. Der UI-Schnitt istwiederum vollkommen abfalllos.

Streureaktanz

Ringkern-Transformatoren sind wegenihrer sehr geringen Leerlaufverluste,ihrer Streufeld- und Geräuscharmutsowie ihres geringen Bauvolumens die

technisch optimale Lösung. Sie haben ge-wöhnlich zwei radial übereinander ange-ordnete Wicklungen – was aber nichtzwingend ist. Auch hier ließe sich dieEingangswicklung auf eine Hälfte desRings wickeln und die Ausgangswick-lung auf die andere. Bei gleichen Draht-abmessungen und gleichen Windungs-zahlen ergäbe sich in diesem Fall den-noch ein sehr starkes Streufeld und einentsprechend weicher Trafo mit z.B. 30%Kurzschlussspannung – auch hier nur inSonderfällen vorteilhaft.

Mitunter muss dies als unangenehmeNebenwirkung in Kauf genommen wer-den, wenn z.B. eine extrem hohe Isola-tionsspannung zwischen Eingangs- undAusgangswicklung erreicht werden soll.Gewöhnlich strebt man aber einen gerin-gen Spannungsfall, also eine geringeKurzschlussspannung an. Da die Bemes-

sungsleistung sich immer auf ohmscheLast bezieht, addiert sich der Lastwider-stand linear zum Wicklungswiderstandund in quadratischer Manier zur Streu-reaktanz:

(Formeln 1–3, Kasten nächste Seite)wobeiU 2 SekundärspannungU 20 Sekundärleerlaufspannungn1 Primärwindungszahln2 Sekundärwindungszahl RCu1 Widerstand der Primärwicklung RLast Lastwiderstand RCu2 Widerstand der Sekundärwicklung X 1σ Streureaktanz der Primärwicklung X 2σ Streureaktanz der Sekundärwick-

lung I Last Laststrom

Bei gewöhnlichen Zweiwicklungs-transformatoren kann in der Regel ver-einfachend mit RCu1' = RCu2 und X 1σ' = X 2σgerechnet werden, zumindest beim Zwei-kammer-Spulenkörper.

Beim Einkammer-Spulenkörper wirddie außen liegende Wicklung in der Regel

Bild 3 Verschiedene Bewicklungs- und Verschal-tungsmöglichkeiten eines Netztrafos mit UI-Kern

Bild 4 THF, finnische Version

Bild 5 Version THX aus Deutschland

Bild 6 Belastung einesstreufeldarmen Klein-transformators mitGleichrichterlast

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– bezogen auf die Windungszahl –wegen der größeren mittleren Windungs-länge, einen deutlich höheren Widerstand

haben, sofern dem nicht bei der Ausle-gung durch eine geringere Stromdichteentgegengewirkt wurde.

Normalerweise ist der Lastwiderstand RLast der größte Summand, und der Ein-fluss der Streureaktanz X 1σ' + X 2σ≈2· X 2σwird bei Bemessungslast also entspre-chend gering (ganz im Gegensatz zumKurzschluss, wo definitionsgemäß derLastwiderstand gleich 0 ist). Die Strom-oberschwingungen hingegen, die beimGleichrichten entstehen und deren Fre-quenzen ganzzahlige Vielfache der Netz-

frequenz sind, verursachen die gleichenohmschen Spannungsfälle wie dieGrundschwingung, aber ein Vielfachesder induktiven Spannungsfälle. ObigeFormel für U 2 liefert also bei nahezustreuspannungsfreien Transformatorenfür die wichtigsten Oberschwingungenfast den gleichen Wert wie für die Grund-schwingung; bei einem weichen Trafoaber für unterschiedliche Frequenzensehr unterschiedliche Werte. Das heißt:Der weiche Trafo verformt die Strom-kurve, und zwar weg von der extremenVerzerrung, wie man sie von der direkten

Gleichrichtung der Netzspannung z.B. inSchaltnetzteilen kennt, zurück in Rich-tung Sinusform. Das Netz hat das natür-lich gern, wird doch auf diese Art dievom Glättungsvorgang ausgehende Ober-

schwingungsbelastung deutlich redu-ziert.

Vergessen wird hierbei aber leiderregelmäßig, dass sich aus dem unter-schiedlichen Verhalten erhebliche Unter-

schiede für die Auslegung des Trans-formators ergeben. Der gewünschteGleichstrom ist nämlich gleich demGleichricht-Mittelwert des gleichgerich-teten Wechselstroms, nicht dem Effektiv-wert (Scheinleistung), wonach ein Trans-formator bekanntlich bemessen werdenmuss. Der Trafo-Bemessungsstrom istsomit bei der weichen Auslegung klei-ner, weil der Formfaktor kleiner ist. Ob-wohl der Transformator im Wechsel-stromkreis angeordnet ist, hilft seineStreureaktanz beim Glätten des Gleich-

stroms. Ist diese groß, so ist ihr Einflussbeträchtlich.Diesem positiven Effekt der Streureak-

tanz steht ein Nachteil gegenüber: Ist der

Formeln 1–3

(1) U 2 = U 20 - I Last ×

mit

(2) RCu1' = RCu1 ⋅ (n2 / n1)2

und(3) X 1σ' = X 1σ ⋅ (n2 / n1)2

(RCu1' + RCu2 + R Last )2 + ( X 1σ' + X 2σ)2

Wicklungswiderstand primär beibeiden Prüfmustern

57,4

Wicklungswiderstand sekundär bei beiden Prüfmustern

0,57

Leerlaufspannung bei beidenPrüfmustern

22,9 V

Kurzschlussstrom der

Ausführung mit aufgeteiltenWicklungen

20,0 A

Kurzschlussstrom der Ausführung mit einer Wicklung je Schenkel

9,5 A

Tabelle I Messwerte der Trafos für die Berechnungder Betriebsgrößen eines weichen und eines hartenTrafos

Bei gleichen Lastgleichströmen geringes Streufeld starkes Streufeld

Effektivwert Trafostrom sekundär 3,287 A 2,668 A

Scheitelwert Trafostrom sekundär 6,798 A 4,607 A

Formfaktor Trafostrom sekundär 1,638 1,334

Scheitelfaktor Trafostrom sekundär 3,388 2,304

Effektivwert Trafospannung sekundär 20,005 V 19,209 V

Trafoleistung sekundär 65,752 VA 51,256 VA

Minimum Kondensatorspannung 19,734 V 17,383 V

Mittelwert Kondensatorspannung 22,467 V 19,118 V

Maximum Kondensatorspannung 25,082 V 21,060 V

Gleichstromleistung gesamt 45,068 W 38,319 W

Leistungsfaktor PDC/STrafo 0,685 0,748

Tabelle II Verhalten eines Kleintransformators mit «harter» und «weicher» Wicklungsaufteilung beiGleichrichterlast und jeweils gleichen Gleichströmen

Bei gleichen Gleichstromleistungen geringes Streufeld starkes Streufeld

Effektivwert Trafostrom sekundär 3,287 A 3,320 A

Scheitelwert Trafostrom sekundär 6,798 A 5,549 A

Formfaktor Trafostrom sekundär 1,638 1,291

Scheitelfaktor Trafostrom sekundär 3,388 2,157

Effektivwert Trafospannung sekundär 20,005 V 18,177 V

Trafoleistung sekundär 65,752 VA 60,355 VA

Minimum Kondensatorspannung 19,734 V 15,388 V

Mittelwert Kondensatorspannung 22,467 V 17,444 V

Maximum Kondensatorspannung 25,082 V 19,734 V

Gleichstromleistung gesamt 45,068 W 45,086 W

Leistungsfaktor PDC/STrafo 0,685 0,747

Tabelle III Verhalten eines Kleintransformators mit «harter» und «weicher» Wicklungsaufteilung beiGleichrichterlast und jeweils gleicher Wirkleistung

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Spannungsfall im weichen Trafo schonim Falle ohmscher Last größer als beimharten Trafo, so verstärkt sich diese Wir-kung bezüglich der Gleichspannung amGlättungskondensator (Elko) noch ein-mal3. Ein weicher Trafo ist hinsichtlichder erzeugten Gleichspannung noch wei-cher, als er bei ohmscher Last ohnehinschon ist. Um dies zu kompensieren,muss die Leerlaufspannung höher ge-wählt werden, was nicht nur die erforder-

liche Bauleistung wieder ansteigen lässt,sondern im Teillastbereich leider auch dieVerlustleistung an dem häufig nachge-schalteten Linearregler, da die Spannungam Glättungskondensator mit fallenderLast stärker ansteigt als mit einem steifenTrafo. Eine sorgfältige Überlegung bzw.Berechnung des Trafos und seiner Be-triebsumgebung sind daher gefragt, umdie optimale Wahl zu treffen. Allerdingsgibt es für solche Belastungsfälle kaumRechenprogramme.

Das Durchrechnen zweier Varianten,die sich nur durch die Streuspannung

unterscheiden, macht die erstaunlichenUnterschiede deutlich. Ausgegangenwurde dabei von den nachfolgendenMesswerten an zwei Kleintrafos UI48mit Einkammer-Spulenkörpern, einer mitder harten geteilten Wicklungsanordnungnach Bild 3a und einer mit der weichengetrennten Wicklungsaufteilung nachBild 3b (s. Tabelle I).

Aus diesen Messdaten wurde der Be-lastungsfall mit einem Brückengleich-richter und folgenden Daten berechnet:

Spannungsfall am Gleichrichter (in

der Rechnung als konstant angenom-men): 2 V; Glättungskapazität: 2200 µF;Gleichstromlast (Strom vollständig ge-glättet durch Längsregler): 2 A.

Die Ergebnisse sind in Tabelle II ein-ander gegenübergestellt. Es bestätigt sichdas Gesagte: Die Belastung des weichenTrafos ist geringer, der Leistungsfaktorbesser. Allerdings fällt die Gleichspan-nung, wie vorausgesagt, mit steigenderLast wesentlich stärker als beim hartenTrafo. Die Werte sind daher so nicht ver-gleichbar, weil die Leistungen auf derGleichstromseite unterschiedlich sind. InTabelle III wurde der Lastgleichstrom so

weit erhöht (auf 2,575 A), dass sich fürbeide Schaltungen die gleiche Wirkleis-tungsabgabe ergibt. Es bleibt dabei: Derweiche Transformator unterdrückt diebeim Ausglätten entstehenden Ober-schwingungen stärker als der harte. InBild 6 und 7 sind die Verläufe der Gleich-spannung am Kondensator und desStroms vom Gleichrichter zum Konden-sator für beide Bauformen dargestellt.Der Stromverlauf des weichen Trafossieht in der Tat schon optisch deutlichweicher aus. Die Bauleistung des wei-chen Trafos ist etwa 10% geringer.

Es fällt auf, dass der dicke Glättungs-kondensator zusammen mit dem streu-induktivitätsarmen Transformator, ob-schon Ersterer im Gleichstromkreis an-geordnet ist, eine leicht kapazitive Lastergibt: Der Stromscheitel liegt in Bild 6vor dem Spannungsscheitel. Beim streu-induktivitätsreichen Trafo und demselbenGlättungskondensator hingegen wird die-ser Effekt durch die Streuinduktivitätmehr als aufgezehrt: In Bild 7 ist dieGesamtlast induktiv, obwohl die Gleich-stromlast in jedem Fall einer ohmschen

Last entspricht. Bemerkenswert ist, dasssich die Verzerrungsblindleistungen sol-cher Schaltungen zu einem erheblichenTeil gegenseitig kompensieren, wenn die

Schaltungen je zur Hälfte im selben Netzzum Einsatz kommen, denn der Gesamt-strom entspricht dann der Summe derbeiden Stromverläufe in den Bildern 6und 7.

Ganz allgemein sei bemerkt, dass eshäufig zur partiellen gegenseitigen Aus-

löschung verschiedener Arten von Netz-schmutz [2] kommt.

Elektronische Halogen-lampentransformatoren

Elektronische Halogenlampentransfor-matoren stellen eine Form von Umrich-tern dar, die die ankommende Wechsel-spannung gleichrichten, in eine Wechsel-spannung wesentlich höherer Frequenzumrichten und erst dann in einem – dankder sehr viel höheren Frequenz erheblichkleineren – Transformator umwandeln.

Im Gegensatz zu allen anderen elektroni-schen Lasten wie Kompaktsparlampenund Schaltnetzteilen von PCs, Fernsehge-räten und dergleichen kann hier aber auf einen Glättungskondensator verzichtetwerden. Es entstehen daher auch keinenennenswerten niederfrequenten Strom-verzerrungen, wie sie beim Ausglättender gleichgerichteten Eingangsspannungentstehen, weil nur dann Strom vom Netzdurch den Gleichrichter fließt, wenn derAugenblickswert der gleichgerichtetenWechselspannung größer ist als die Rest-

spannung auf dem Glättungskondensator(Bild 8).Die Einsparung von Kupfer und Eisen

durch diese Technik ist enorm und somitder Vorteil bei Volumen und Gewicht be-achtlich. Ferner lässt sich das erforderli-che Volumen in weiten Grenzen den ver-schiedensten Gehäusebauformen anpas-sen, da man nicht an bestimmte DIN-Blechschnittformen gebunden ist, undschließlich sind diese Geräte, da sieohnehin über die Umrichtelektronik ver-fügen müssen, auch mit einer Regelungausgestattet, die die Ausgangsspannung

stabilisiert.Allerdings pulsiert infolge des Ver-

zichts auf einen Glättungskondensatordie an den Ausgangsklemmen austre-tende Hochfrequenz im Takt der Netzfre-quenz, was die Lampen aber nicht stört,denn diese werden beim Betrieb mit kon-ventionellen Transformatoren auch mitNetzfrequenz gespeist und flackern mitSicherheit viel weniger als eine normale,mit Netzspannung betriebene Glühlampe,da ihre Glühwendel viel dicker sind.

Billigprodukte haben Probleme mitTeillast

Manche Billigprodukte unter denelektronischen Trafos werden jedoch mit

Bild 7 Belastung einesstreufeldreichen Klein-transformators mitGleichrichterlast

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Teillast überhaupt nicht fertig, und eineeinzelne 20-W-Lampe, an einen 60-W-Trafo angeschlossen, fängt an zu fla-ckern. Ähnliches kann auch bei Defekteines elektronischen Halogenlampen-transformators auftreten: So können etwain Verkaufsräumen, in Restaurants undderen Toiletten einzelne Lampen oderGruppen von Lampen in regelmäßigemRhythmus blinken oder zwischen zweiHelligkeiten pulsieren.

Induktionsschleifen bei Halogen-

seilanlagenViele Betreiber solcher Halogenlam-penbeleuchtungen klagen außerdem u.a.,dass die angegebene Lebensdauer derLampen bei weitem nicht erreicht wird:So kann es in einem Haushalt beispiels-weise vorkommen, dass ständig – ausRichtung (elektronischer) Trafo gesehen– die erste von drei angeschlossenenLampen durchbrennt.

Der Grund hierfür könnte in den In-duktionsschleifen liegen, die entstehen,wenn in einem Nutz- oder Wohnraum einganzes Gewirr von Halogenseilanlagen

erstellt wird (Bild 9). Die einzelnen Seilekönnen ohne weiteres Längen von 10 mund mehr erreichen und haben einen be-trächtlichen Abstand zueinander. Sie sindmeist nicht isoliert und dürfen sich dahertrotz ihrer freitragenden Konstruktionnicht berühren können. Außerdem hatman gerne ausreichend Platz zur Verfü-gung, um die Scheinwerfer zwischenHin- und Rückleitung schwenkbar aufzu-hängen. Die so gebildete Induktions-schleife hat daher eine ganz beträchtlicheQuerschnittsfläche. Dazu kommt die

Induktivität der oft dekorativ in Schleifengewundenen Befestigungsanschlusslei-tungen der einzelnen Lampen (Bild 9,linke und mittlere Lampe).

Bild 8 Spannung undStrom am Glättungskon-densator

Bild 9 Dekorative HF-Drosseln

Quelle: http://www.conrad.de

Tabelle IV Beispielwertefür induktive Spannungs-abfälle an einer Halogen-lampenseilanlage bei Be-trieb mit konventionellemTransformator (50 Hz) undelektronischem Trans-formator (40 kHz)

Lampen-nummer

Lampen-leistung

Spannungsabfall bis zu dieser Lampe

[-] [W] Frequenz = 50 Hz Frequenz = 40 kHz

1 35 0,0003 V 0,2100 V

2 35 0,0005 V 0,3781 V

3 35 0,0006 V 0,5041 V

4 35 0,0007 V 0,5881 V

5 35 0,0008 V 0,6301 V

Die sich ergebende Reaktanz ist bei50 Hz ohne praktische Bedeutung (Ta-belle IV), aber bei Hochfrequenz kann espassieren, dass die erste, direkt hinterdem Trafo angebrachte Lampe an eine er-heblich höhere Spannung zu liegenkommt als die am weitesten vom Trafoentfernte (Tabelle IV), sofern sich keineResonanzen bildeten, die zu Überspan-nung an der letzten Lampe führen.

Der Hersteller der Transformatoren hatdarüber aber keine Kontrolle, weil er

nicht wissen kann, welche Ausdehnungdie so erzeugten Leiterschleifen erreichenwerden und wie viel Induktivität der An-wender hiermit an den Trafo anschließen

wird. Das Vorhandensein entsprechenderVorschriften, die lediglich die Leitungs-länge begrenzen und über Seilabstände,Strom und Frequenz keine Aussagen tref-fen, hilft in der Praxis daher wenig,zumal die Produkte im Baumarkt frei er-hältlich sind und somit die Einhaltung

von Vorschriften sich der Kontrolle ent-zieht.Und nicht nur die an den elektroni-

schen Transformatoren betriebenen Lam-pen, sondern auch diese selbst sind be-deutend empfindlicher als herkömmliche50-Hz-Transformatoren. Eine bekannteStörquelle sind induktive Vorschaltgerätevon Leuchtstofflampen. Diese nämlicherzeugen zum Zünden der Röhre einenSpannungsimpuls, der bei einer 58-W-Lampe etwa 1600 V beträgt. Obwohl die-ser Spannungsimpuls eigentlich zwi-schen den Enden der Röhre verläuft,

gerät leider mehr oder weniger davondoch in das speisende Netz. Dies hatschon so häufig zu Ausfällen der elektro-nischen Trafos geführt, dass inzwischenspezielle Störfilter auf dem Markt er-schienen sind, die dies verhindern sollen.Ein Vorschaltgerät für das Vorschaltgerätgewissermaßen – ein bei Anwendungkonventioneller Technik jedoch unnöti-ger Aufwand und letztlich wohl zumin-dest teilweise eine Folge des fehlendenSiebkondensators am Eingang, der beianderen elektronischen Schaltnetzteilen

solche Störungen weitgehend schluckt.Der Ersatz aller induktiven Vorschalt-geräte für die Leuchtstofflampen durchelektronische hingegen stellt eine rechtkostspielige Lösung dar – und auch eineunvollkommene, solange nicht auch alleanderen nennenswerten Induktivitätenaus dem Netz entfernt werden, wasschwer fallen dürfte. Außerdem kannman sich dadurch leicht wieder ein gan-zes Bündel neuer Probleme ins Hausholen. [11] [12]

Die Eingangswerte eines solchen Tra-fos stellen sich bei der Messung (Bild 10,

links) allerdings als recht respektabel dar:Im Leerlauf zeigt er eine sehr geringeVerlustleistung und unter Last einen na-hezu sinusförmigen und blindleistungs-

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Bild 10 Einschalten undBetrieb eines elektroni-schen Halogenlampen-transformators

freien Strom. Auch die Einschaltströme(Bild 10, Mitte unten) halten sich inGrenzen. Der ausgangsseitige Einschalt-strom wird zu Gunsten der Lebensdauerder Lampen begrenzt. Eine Glühlampehat unter «normalen» Umständen (beimAufschalten auf eine praktisch impedanz-

lose Spannungsversorgung) einen etwa10fach überhöhten Einschaltstrom. DieAusgangsspannung (Bild 10, rechts) istunter Last für solche Geräte normal. Beider Ermittlung der Leistungen zeigt aller-dings selbst das verwendete hochwertigeMessgerät mit 40 MHz TaktfrequenzProbleme, da es sich offenbar durch dieauf die Hochfrequenz aufmodulierteNetzfrequenz täuschen lässt. Die Lampen

jedenfalls (420 W) brannten währendder Messung mit normaler Helligkeit.Die Leistungsaufnahme betrug wegen derLampenschonung durch Unterspannung

nur 74,8 W. Es ist gängige Praxis, Halo-genglühlampen mit 12 V Bemessungs-spannung nur mit 11,6 V zu betreiben.

Nur im Leerlauf nimmt die Ausgangs-spannung merkwürdige Formen an, wennman die Zeitbasis entsprechend derHochfrequenz einstellt (Bild 10, Mitteoben). Die Frage ist, wann – bei welchemAuslastungsgrad – eine vernünftige Re-gelung einsetzt. Hier unterscheiden sichgute von schlechten Geräten. Über eineKorrelation zum Preis kann an dieserStelle schlecht spekuliert werden. Bei

dem vorliegenden Muster jedenfalls han-delte es sich um ein Billigstangebot ausFernost einer grossen Handelskette, undzumindest dieses Exemplar funktioniertebereits mit einer einzigen angeschlosse-nen Lampe einwandfrei.

Aus Bild 10 unten rechts und der an-gezeigten Zeitbasis ergibt sich, dass dieHochfrequenz, aus der die darüber ge-zeigten Buckel bestehen, eine Perioden-dauer von 40 µs, also eine Frequenz von25 kHz hat. Es ergibt sich aber auch, dassdiese Hochfrequenz nicht sinus-, sondernrechteckförmig verläuft und also ihrer-

seits wieder ein theoretisch unendlichesSpektrum an Oberschwingungen enthält.Somit sind prinzipiell in allen Frequenz-bereichen Störungen möglich.

Feldstärken bzw. Flussdichten

Auf Grund der Induktionsschleifenentstehen mit Hochspannungsleitungenvergleichbare magnetische Feldstärken:So erzeugt eine Hochspannungsleitungmit 600 A Last und 8 m Seilabstand in50 m Entfernung ein gleich starkes Feldwie ein Seilsystem mit 6 A Last und

80 mm Seilabstand in 0,5 m Entfernung.Gesundheitsschädliche Auswirkungenauf den Menschen durch die magneti-schen Felder sind bislang jedoch nicht

erwiesen. Alle angeblichen Untersu-chungen in diese Richtung halten einerernsthaften Prüfung mit statistischenund epidemiologischen Methoden nichtStand [3, 4].

Gäbe es die vermuteten Erkrankungenin nennenswertem Umfang, so wäre dies

mit Sicherheit bereits aufgefallen. Undschließlich darf auch nicht vergessenwerden, dass auch Angst, z.B. vor Krank-heit, krank machen kann [5]. Wo immeraber solche Auswirkungen vermutetwerden, wird auch eine höhere Empfind-lichkeit des Organismus bei höherenFrequenzen vermutet, so dass dem kon-ventionellen Netzfrequenz-Halogenlam-pentransformator die geringere Beein-trächtigung bescheinigt wird.

Die Lösung im vorliegenden Hochfre-quenzfall wäre Gleichrichtung und Glät-tung am Ausgang, aber das hieße, einen

zusätzlichen Verlust von etwa 1,5 W jeAmpère Ausgangsstrom in Kauf zu neh-men, ganz abgesehen davon, dass schonwesentlich sinnvollere und notwendigereMaßnahmen an ein paar Rappen mehr imVerkaufspreis gescheitert sind.

Ein weiterer Vorteil wäre allerdings,dass man solche elektronischen Transfor-matoren mit Gleichrichtung am Ausgangauch ausgangsseitig parallel zueinanderbetreiben könnte, was bei nicht genau de-finierter Frequenz am Ausgang, von Pha-

senlage ganz zu schweigen, natürlichnicht möglich ist.

Bei Verwendung konventionellerTransformatoren ist es technisch keinProblem, die erforderliche Leistung «zu-sammenzustückeln» und so im Effekt dieEnergietransportwege auf der Kleinspan-

nungsebene zu reduzieren, genau demüblichen Aufbau von Niederspannungs-Verteilnetzen entsprechend. Wie auf allenSpannungsebenen ist dabei lediglich auf richtige Polung und auf Einhaltung derKurzschlussleistung bzw. der Abschalt-bedingungen zu achten.

So müssen alle sekundärseitig parallelliegenden Transformatoren auf einen ge-meinsamen Primärschalter fest verdrahtetsein, sonst kommt es bei Abschaltungeinzelner Trafos zur Überlastung derübrigen, und vor allem steht am Eingangeines abgeschalteten, ausgesteckten oder

abgeklemmten Trafos auf einmal wiederdie rücktransformierte Eingangsspan-nung an.

Wichtig ist auch, dass extrem harte,spannungssteife Transformatoren nichtmit extrem weichen parallel geschaltetwerden, sondern Einheiten mit nähe-rungsweise gleichen Kurzschlussspan-nungen verwendet werden, sonst werden– ganz im Gegensatz zum richtigenLeben – die weichen Typen nicht ausge-lastet und die harten überlastet. Bei Be-

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trieb der Anlage mit konstanter Last emp-fiehlt sich der Einsatz weicher Typen, umdie hohen Einschaltströme der Lampenzu dämpfen und dadurch die Lampen zuschonen. Dennoch kann es durch dieEinschaltstöße der Trafos selbst zumAuslösen von Leitungsschutzschaltern

kommen, gerade wenn größere Gruppenparallel betrieben, also auch zeitgleichgeschaltet werden. Die Streureaktanzhilft zwar, die Einschaltströme zu redu-zieren, denn sie rührt aus demjenigen Teildes Flusses her, der das Eisen umgehtund somit keine Sättigung und keine Re-manenz kennt, doch dieser Dämpfungs-effekt reicht bei Gruppen mit größererGesamtleistung nicht mehr aus.

Beides auf einmal, Schonung der Lam-pen und Verhinderung unnötiger, unsinni-ger Auslösungen von Schutzorganen,kann durch Steuerung jeweils einer gan-

zen Gruppe über einen Transformator-Sanfteinschalter gelöst werden [6–10].

Die Dimmbarkeit konventio-neller Kleintransformatoren

In der Regel können konventionelleKleintransformatoren mit einem ganznormalen Glühlampendimmer geregeltwerden. Die Streureaktanz sorgt dabeiauch gleich für die Entstörung. Ist derZündimpuls des Dimmers zu kurz, kann

im Extremfall lediglich der Stromanstiegzu langsam sein, was zu Zündaussetzernund damit zu flackernden Lampen führenkann. Hier hilft ein RC-Glied parallel zuder als Last wirkenden Primärwicklungdes Trafos (z.B. 1,5 kΩ und 1 µF inSerie). Zu berücksichtigen ist dabei, dassdie Transformatoren bei phasen-ange-schnittenen Spannungen und Strömen er-heblich stärker zum Brummen neigen.

Bild 11 Leerlaufstrom eines Ringkerntransformatos 200 VA

U = 228,5 V, I = 9,2 mA, P = 1,82 W, S = 2,09 VA, Q = 1,03 VAr, LF = 0,87,cos ϕ = 0,99

Bild 12 Leerlaufstrom eines Ringkerntransformators 200 VA bei Parallelbetriebmit einem auf halbe Leistung eingestellten Föhn von 1500 W

U = 224,3 V, I = 1,26 A, P = 38 W, S = 286 VA, Q = 283 VAr

Nach Möglichkeit sollte daher der Trans-formator vergossen oder ein Ringkern-transformator gewählt werden.

Der Einfluss von Gleich-spannungsanteilen

Leider sind Transformatoren – vorallem in Ringkernbauweise – empfind-lich gegen Gleichspannungsanteile in derVersorgungsspannung, was der in denBildern 11 und 12 dokumentierte Versuchdeutlich macht. Dabei wurde das Netz ander dem Versuchsaufbau nächstgelegenenSteckdose mit einer Einweg-Gleichrich-terlast belastet (dies könnte z.B. ein auf halbe Leistung eingestellter einfacherHaarföhn sein). Im Netz entsteht dadurcheine geringfügige Unsymmetrie. Auf Grund dieser ungleichen Belastung derpositiven und der negativen Halbwelle

und der entsprechend unterschiedlichenSpannungsfälle im Netz entsteht ein klei-ner Gleichspannungsanteil der Netzspan-nung von – je nach Last und Netzwider-stand – beispielsweise 0,5 V.

Schuld an dem markanten Unterschiedzwischen den beiden Messungen ist dieSättigung: Legt man eine Gleichspan-nung von 0,5 V an die Primärwicklungeines Ringkerntransformators mit einemWicklungswiderstand von beispielsweise20 Ω, so fließt in der Wicklung einGleichstrom von 25 mA. Wie aus Bild 11

ersichtlich ist, tritt das Kernmaterial je-doch bereits bei rund 11 mA in den Be-reich magnetischer Sättigung ein. DerTransformator befindet sich daher voll-ständig in der Sättigung.

Der Nachweis, dass die Impedanz4 desNetzes für die Unsymmetrie verantwort-lich ist, lässt sich auch erbringen, indemman beide Verbraucher – den leer laufen-den Ringkerntrafo und den mit halber

Leistung laufenden Föhn – über einegemeinsame Verlängerungsleitung an-schließt. Der Effekt der Sättigung wirktdeutlich verstärkt. Schaltet man den Föhnanschließend auf volle Leistung, fällt derGleichstromanteil weg, und der Transfor-mator gerät nicht mehr in die Sättigung.

Umgekehrt gilt, dass jegliche Verrin-gerung ohmscher Spannungsfälle imNetz auch das Auftreten unerwarteter undunerwünschter Überraschungen mindert,und das schon weit unterhalb jenerGrenze der thermischen Belastbarkeit,die üblicherweise der Dimensionierungvon Kabeln, Leitungen, Transformator-wicklungen und dergleichen zu Grundegelegt wird.

Die Empfindlichkeit gegen Gleich-spannungsanteile in der Versorgungs-spannung ist übrigens bei allen anderenTransformatortypen wesentlich geringer,

weil diese durch die Bank Restluftspalteaufweisen, wodurch die Leerlaufströmein der Regel mehr als eine Größen-ordnung höher sind. Das Verhältnis desvom Gleichspannungsanteil getriebenenGleichstroms in der Primärwicklung zumLeerlaufstrom und die bei der Auslegunggewählte Leerlaufinduktion bestimmendas Ausmaß dieses Einflusses.

Ist ein Kleintransformatordimmbar?

Es stellt sich die Frage, ob garantiertwerden kann, dass die Ansteuerung desDimmers immer absolut symmetrisch er-folgt, zumal die Bauteiltoleranzen ehererwarten lassen, dass dies höchstensdurch Zufall hier und da einmal der Fallist. In der Regel sollte man daher vermu-ten, dass das erwähnte halbe Volt Gleich-spannung schnell einmal zusammen-kommt.

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Bild 13 Betrieb eines Transformators UI48 im Leerlauf an Nennspannung (links)und über Gleichrichterdiode (Mitte und rechts)

Bild 14 Zusammenarbeit einer Halogenleuchte mit Ringkerntransformator miteinem Phasenanschnittdimmer

Der auf diese Art zu Stande kommende

Gleichspannungsanteil in der Versor-gungsspannung wird aber durch die ange-schlossene Induktivität wieder herausge-filtert, denn die im Dimmer zur Anwen-dung gelangenden Thyristoren oderTriacs bleiben nicht so lange leitend, bisdie Spannung, sondern bis der Strom sei-nen Nulldurchgang erfährt. Das ist be-kanntlich bei Induktivitäten nicht der-selbe Zeitpunkt.

Ein Versuch unter Extrem-

bedingungen

Ein Versuch unter Extrembedingungen(Bild 13) macht dies deutlich: Hierzuwird ein Transformator im Leerlauf übereine Einweg-Gleichrichtung betrieben.Es zeigt sich, dass der Leerlaufstrom nunein welliger (lückender) Gleichstrom ist,die Spannung an der Wicklung jedochwieder nahezu Sinusform annimmt.

Die Eingangsspannung der Versuchs-schaltung muss schon auf etwa 64 V ein-gestellt werden (Bild 13, Mitte), ehe sichbeim Leerlaufstrom der gleiche Effektiv-wert einstellt wie bei Nennspannung(Bild 13, links), und erst bei etwa 80 V

hat man die gleiche Leerlaufleistung wieim regulären Betrieb (Bild 13, rechts).

Man muss sich das so vorstellen, dassder Strom nach dem Wechsel der Span-nungsrichtung von eben dieser Spannungwieder auf null «heruntergebremst» wird.Erst danach geht im Versuch die Diode(bzw. im Dimmer der Triac) in den sper-renden Zustand über. Die an der Indukti-vität gemessene Spannung ist also keineGleichspannung – wie auch die Messungzeigt – obwohl ein Stromfluss nur in eineRichtung möglich ist. Es besteht also für

den Trafo beim Betrieb am Dimmer keinRisiko, nicht einmal bei Auftreten einererheblichen Unsymmetrie bei der Ansteu-erung.

Ringkerntransformator am Phasen-

anschnittdimmerEin Beispiel für gute Zusammenarbeit

zwischen Ringkerntransformator undPhasenanschnittdimmer fand sich in einerhochwertigen Tischleuchte (Bild 14). DieLeuchte wurde zweimal mit Vollaussteu-erung gemessen (rechts), zweimal beihalber Leistung (Mitte) und zweimal inder unteren Anschlagstellung des Dim-mers (links). Die Vorschrift verlangt einegewisse Resthelligkeit. Ein Glühlampen-dimmer darf sich auch bei Betrieb an derunteren Toleranzgrenze der Netzspan-

nung nicht so weit herabregeln lassen,dass zwar noch Strom durch die Lampefließt, dies aber nicht mehr am Leuchtenerkennbar ist.

Zunächst wurde die Leuchte im re-gulären Betrieb, also mit der vorge-sehenen Glühlampe 12 V/ 50 W, gemes-sen (Bild 14, oben) und dann ohneLeuchtmittel, also im Leerlauf des Trans-formators (Bild 14, unten). Dabei lässtsich Folgendes feststellen:

– Offenbar wurde hier das erwähnte RC-Glied eingesetzt, wie die Stromspitzen

im Einschaltpunkt zeigen, die immerdann und nur dann auftreten, wenn dieEinschaltflanke der Spannung ver-gleichsweise hoch ist, denn nur dannfließt ein registrierbarer Ladeimpuls inden Kondensator des RC-Gliedes.

– Die Steuerung funktioniert bei leerlaufendem Trafo offenbar in der unte-ren Hälfte des Stellbereiches trotzdemnicht, was sich dadurch zeigt, dass sichdie Werte von unten bis zur Mitte prak-tisch nicht verändern und auch dieunter Last beobachtbaren Einschalt-

spitzen ausbleiben: Es kommt zu kei-ner Zündung des Triacs bzw. der Thy-ristoren im Dimmer. Das Ausfallen derEinstellbarkeit spielt im vorliegenden

Fall zwar keine Rolle, weil ein Betrieb

im Leerlauf ohne Belang ist. Das Bei-spiel zeigt aber, dass bei Anwendungdieser Schaltung auf eine Anordnungmit variabler Last (z.B. mehrere Lam-pen) alle möglichen Lastpunkte getes-tet werden müssten und nicht nur imFall von Volllast.

– EMV-Probleme und die für den Ring-kerntrafo fatale Gleichstrom-Vorbelas-tung treten weder im Leerlauf nochunter Last auf.

– Die Leerlaufleistung ist gering.– Im Leerlauf zeigen die Stromkurven

wegen des parallel angeordneten Kon-densators eine Überlagerung mitHochfrequenz. Das weist auf Vorhan-densein solcher Frequenzen in derNetzspannung hin.

– Die Magnetisierungsblindleistung desRingkerntrafos ist gering: Bei dieserBaugrösse ist etwa 1 VA typisch. Hin-gegen tritt im unteren und mittlerenStellbereich unter Last das Phänomender bei Phasenanschnitt induktiv wir-kenden Glühlampe auf: Das Messgeräterrechnet einen erheblichen Blindleis-tungsanteil, obwohl nirgends Bereiche

mit ungleichen Vorzeichen von Span-nung und Strom auftreten. Das ist aberkorrekt. Zerlegt man die angeschnit-tene Kurve in ihre harmonischen Be-standteile (Fourier-Analyse), so stelltman fest, dass die Grundschwingungdes Stroms gegenüber der Netzspan-nung nach hinten verschoben ist.

Was aus Bild 14 nicht hervorgeht: DieLeuchte arbeitet dank dem Ringkern-transformator und einem massiven Mes-singgehäuse in allen Betriebspunkten

vollkommen geräuschlos.

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Bessere Glättung mit Saug-kreis

Die Gleichspannung am Glättungselkoin einer B2-Brücke (Bild 15) hinter ei-nem Einphasen-Kleintransformator weistnormalerweise noch eine beträchtlicheRestwelligkeit auf, bzw. sie ist von einerVielzahl von Frequenzen überlagert. DieAufgabe des Glättungskondensators ist

es, für die Gleichspannung zu sperrenund die darin noch enthaltenen Wechsel-spannungen abfließen zu lassen. Das ge-lingt aber niemals ganz, weil die Kapa-zität endlich und damit die Reaktanzgrößer als null ist.

Ausgerechnet die am stärksten vorhan-dene niedrigste Frequenz von 100 Hzwird aber am wenigsten durchgelassen.Es bietet sich daher an, die Kapazitätganz grob in zwei Hälften zu teilen undeine davon mit einer geeigneten Drosselin Reihe zu schalten, so dass sich ein Rei-henresonanzkreis für 100 Hz ergibt.

Diese Frequenz kann dann praktisch im-pedanzlos abfließen, wodurch sich dieRestwelligkeit erheblich reduziert – jenach den Parametern der Schaltung umfast die Hälfte (Bild 16).

Feiner als die Feinsicherung:Temperaturschalter

Die eleganteste Art, einen Kleintrafoabzusichern, ist ein Temperaturschalter.Damit wird der Trafo nicht nur gegen zuhohe Strombelastung, sondern auch

gegen überhöhte Umgebungstemperatu-ren geschützt. Problematisch ist jedochbei größeren Kleintrafos stets die zuschnelle Erwärmung im Kurzschlussfall,

Bild 15 Darstellung einer B2-Brücke

Bild 16 Bessere Glättung mit Saugkreis

die dem Schalter nicht ausreichend Zeitzum Reagieren lässt. Ausnahmen stellenwiederum die diversen beschriebenenFormen von streufeldreichen Bauformendar.

So würde sich bei dem auf Seite 5Tabelle II und III angeführten Vergleich

der beiden UI48-Trafos der Typ mit 20 AKurzschlussstrom im Kurzschlussfall fastfünfmal so schnell erwärmen wie der Typmit 9,5 A Kurzschlussstrom, was zwarwieder für Letzteren spricht; doch wiebereits erwähnt, ist für die meisten An-wendungen der spannungssteife Trafo imNormalbetrieb zweckmäßiger. Für dieseFälle bauen die Hersteller in die Tempe-raturschalter einen «Beschleuniger» inForm eines Serienwiderstands ein, derden Schalter bei erheblicher Überschrei-tung des Bemessungsstroms schnell er-wärmt und zum Auslösen bringt. Nun

wächst aber die Erwärmung im Quadratzum Strom, und wird ein bestimmterGrenzstrom überschritten, so ist derSchalter nicht einmal mehr flink genug,um sich selbst zu schützen; der Wider-stand brennt also durch, ehe der Kontaktöffnet.

Ist der Kurzschlussstrom des Trafosgrößer als dieser Grenzstrom, ist derSchalter ungeeignet. Der nächstkleinereWiderstandswert kann aber schon wiederzu klein und der Beschleunigungseffektsomit zu gering sein. Abhilfe könnten die

Schalterhersteller bieten, indem sie denLängswiderstand durch zwei antiparal-lele Dioden ersetzen. Dann steigt die Er-wärmung nur noch näherungsweise linearmit dem Strom, vor allem im oberenStrombereich, wodurch sich die Spannezwischen minimalem Abschaltstrom undhöchstzulässigem Strom vergrößert. InLaborversuchen hat sich diese Methodeschon mehrfach bewährt, vor allem dann,wenn im Zuge einer Mittelpunkts-Gleich-richterschaltung ohnehin zwei Diodenzum Einsatz kommen, auch wenn diesein diesem Fall in den Ausgangskreis

geschaltet werden. Die entsprechendenIsolierungen und Abstände sind meistschon durch das Schaltergehäuse alleineingehalten. Außerdem kann ein Trans-formator auch ausgangsseitig geschütztwerden.

Auch bei Kleintrafos keineKleinigkeit: der Wirkungsgrad

Bei Großtransformatoren achtenEnergieversorger seit Jahr und Tag pein-

lich genau auf den Wirkungsgrad. DieVerluste werden dort bewertet, also einentsprechender Preiszu-/abschlag fürÜber-/Unterschreitung der Nennverluste

vereinbart. Die Werte liegen etwa bei1 € /W für den Lastverlust und bei unge-fähr 4 € /W für den Leerlaufverlust. Sosollte im Prinzip auch bei Kleintransfor-matoren vorgegangen werden.

Bei betriebseigenen Industrienetzenund einigen ausländischen Unternehmen

bestehen hier allerdings auch bei denGroß- und Verteiltransformatoren nochDefizite. Sicher erscheint es im erstenMoment auch unsinnig, von einer weite-ren Verbesserung des Wirkungsgrades zureden, wenn man bedenkt, dass die Wir-kungsgrade der größten Baugrößen um99,75% liegen. Bedenkt man aber weiter-hin, dass diese Baugrößen bis 1100 MVAreichen und 1 / 4% mehr als 2,5 MW be-deutet, macht es sehr wohl Sinn, hierübernachzudenken [13].

Ein solcher «Grenzleistungs-Transfor-mator» mit 2,5 MW Verlust kostet übri-

gens um 7,5 Mio. Euro, ein Kleintrans-formator von 11 VA kostet etwa 7,5 Euround hat 2,5 W Verlustleistung. Preise undVerluste stehen also im gleichen Verhält-nis zueinander. Somit wären aus Gründender wirtschaftlichen Vernunft in beidenFällen die gleichen Maßstäbe anzulegen.Dies geschieht aber nicht, weil bei denKleintransformatoren wie bei den er-wähnten kundeneigenen Anlagen dieStromrechnung und die Investitionen vonverschiedenen Kostenstellen bezahlt wer-den, wenn auch beide Rechnungen vom

selben Unternehmen beglichen werdenmüssen. So erscheint bei Kleintransfor-matoren das Wort «Wirkungsgrad» allen-falls im Ausdruck eines Berechnungspro-gramms und wird danach in der Regel niewieder erwähnt. Die Wirkungsgrade lie-gen hier jedoch viel niedriger, bei derKerngröße EI30 (etwa 1 bis 3 VA) um50%, im Bereich EI60 bis EI96 bzw.UI39 bis UI60 (etwa 40 bis 200 VA) um80%, je nach Auslegung und Bauform.Das Potenzial für Verbesserungen ist alsorelativ betrachtet viel größer. Zwardurchfließt der größte Teil aller erzeug-

ten elektrischen Energie mehrere Groß-transformatoren, aber nur ein kleiner Teileinen Kleintransformator, was das abso-lute Sparpotenzial kleiner werden lässt.Das ändert aber nichts an der Tatsache,dass die in der Herstellung billigste Aus-legung in den meisten Fällen über die Le-bensdauer gerechnet auf die in den Ge-samtkosten teuerste Variante hinausläuft.Als Beispiel sei nur noch einmal an dieEinführung eines neuen Klingeltransfor-mators erinnert, der bei einem renom-mierten Hersteller mit Kerngröße UI30

und möglichst billigem DynamoblechDyba V800 ausgelegt wurde. Die Leer-lauf-Verlustleistung lag bei 1,6 W. Durchgenau die gleiche Auslegung, jedoch mit

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etwas höherwertigem kornorientiertemBlech Armco VM111 hätte sie sich auf 0,6 W reduzieren lassen. Die Mehrkostenin der Herstellung hätten zwischen 50

Cent und 1 Euro gelegen und sich alsoinnerhalb von 6 bis 12 Monaten amorti-siert, wobei ein solcher Klingeltransfor-mator durchaus 30 Jahre ununterbrochenim Betrieb bleiben kann.

Dabei war die Wahl des UI-Kern-schnitts für vorliegenden Anwendungs-fall mit praktisch durchgehendem Leer-laufbetrieb im Prinzip richtig. Wie schonausgeführt, kommt hierbei relativ vielKupfer zum Einsatz, im Verhältnis zumKernquerschnitt doppelt so viel wie beimEI-Langschnitt und viermal so viel wie

beim Standard-EI-Schnitt. Da die Schen-kellängen (Längen des Wickelfensters)beim EI-Lang- und beim UI-Schnittgleich sind, stehen Kernquerschnitt undEisen-Einsatzmenge näherungsweise imgleichen Verhältnis zueinander. Beim EI-Schnitt ist, wie gesagt, die Schenkellängegenau halb so groß wie beim EI-Lang-schnitt, doch das Eisen-Einsatzgewichtist deutlich mehr als halb so groß. Somitliefert der EI-Schnitt einen Trafo mit re-lativ hohem Eisen- und relativ geringemKupfer-Einsatzgewicht, der UI-Schnittdagegen sozusagen einen relativ kupfer-

reichen und relativ eisenarmen Trafo.Weitere Variations-Möglichkeiten erge-ben sich durch die unterschiedlichenSchichthöhen. Für jeden Kernschnittnach DIN 41302 stehen Spulenkörpernach DIN 41305 in 2, 3, 4 oder sogar5 Schichthöhen zur Verfügung, nicht zureden von kundenspezifischen Sonder-anfertigungen.

Unbemerkte Verluste

Bei gleicher Induktion, Frequenz und

Eisenqualität hängt aber der Eisenverlustnur noch von der Eisenmenge ab; analogder Kupferverlust, der bei gleicherStromdichte nur noch von der Kupfer-

menge abhängt. Ein Transformator, derden größten Teil seines Lebens im Leer-lauf oder mit geringer Last betriebenwird, sollte mit geringem Leerlaufverlust,

also weniger Eisen und mehr Kupfer aus-gelegt sein. Daher war für den vorliegen-den Fall des Klingeltransformators dieWahl der minderen Eisenqualität ungün-stig, die Wahl des UI-Kernschnittes je-doch günstig. Man findet auf dem Marktauch Klingeltransformatoren, bei denenin beiden Punkten die ungünstigere Vari-ante gewählt wurde. Diese schlagen dannmit etwa 3 W Leerlaufverlust zu Buche,bzw. etwa 26 kWh pro Jahr. Das machtnur deshalb nichts aus, weil der Endver-braucher in der Regel niemals merkt,

dass er hier im Verhältnis «ein bisschenTrafo und viel Strom» verbraucht.Für Anwendungen mit permanentem

Volllastbetrieb ist also umgekehrt dieWahl eines EI-Kernschnittes mit großerSchichthöhe, also eines eisenreichenTransformators, zu empfehlen. DieseBauform bietet in der Regel auch diegrößte Spannungssteifheit, aber damit na-türlich auch die größten Kurzschluss-ströme mit den früher dargelegten, wennauch lösbaren Problemen.

Es sollte nicht übersehen werden, dass jegliche Vermehrung des Einsatzes von

Eisen oder Kupfer bei entsprechenderAnpassung der restlichen Auslegungimmer den besseren Transformator ab-gibt, das umgekehrte Vorgehen immerden schlechteren. Ein «eisenreicher»Trafo sollte also nicht als Kompensationfür den «kupferarmen» angesehen wer-

den.Auch verursacht der Wirkwiderstandder Wicklungen nicht nur den größtenTeil der Energieverluste und der Erwär-mung, sondern addiert sich zudem direktzum Lastwiderstand. Bei der Prüfungwird mit ohmscher Last gemessen. Somitfehlt die Spannung, die am Wicklungs-widerstand abfällt, nachher bei der Last-spannung komplett, bzw. ist bei Leerlauf und Schwachlast zu viel vorhanden.Beim induktiven Spannungsfall an derStreureaktanz ist das anders. Diesekommt erst richtig zum Tragen, wenn

man sich dem Kurzschlussstrom nähert.Ein durch Streureaktanz «weich» ge-machter Trafo ist also hinsichtlich Wirk-last gar nicht so weich wie man vomKurzschlussstrom her meinen sollte, eindurch Knausern am Kupfer weich ge-machter aber sehr wohl.

Ein extremes Beispiel macht dies deut-lich: Ist der Trafo nach Bild 17 mit sei-nem Kurzschlussstrom von etwa 220 A(im Bild nicht dargestellt) zu hart, kannman auch auf die Halbierung der Wick-lungen verzichten und die Primärwick-

lung auf den einen und die Sekundär-wicklung auf den anderen Schenkel auf-bringen. Das Ergebnis (Bild 18) schießtwohl für die meisten praktischen Anwen-dungsfälle ein wenig über das Ziel hin-aus, beträgt doch jetzt der Kurzschluss-strom (nun im Bild zu sehen) nur knappdas Doppelte des Bemessungsstroms.

Eines wird jedoch deutlich: Die Span-nung am Ausgang liegt immer noch weitüber der halben Leerlaufspannung.Wollte man den Kurzschluss- oder denEinschaltstrom über den Wicklungs-widerstand begrenzen, was krimineller-

Bild 17 Verhalten einesTransformators UI66,230 V / 12 V, 180 VA, mit1-Kammer-Wicklungnach Bild 20a (geteilteWicklungen)

Bild 18 Verhalten einesTransformators UI66 mitden gleichen Wickeldatenwie in Bild 17, jedoch mit1-Kammer-Wicklung nachBild 20b (getrennteWicklungen)

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weise wirklich manchmal versucht wird[6–10], verliefe die Spannungskennlinieam Ausgang so wie die gestrichelte Liniein Bild 18.

Der meist gewählte Kompromiss zwi-schen den beiden dargestellten extremenCharakteristiken besteht aus aufgeteilten

Wicklungen mit Zweikammer-Spulen-körpern gemäß Bild 1, Seite 3 (rechts),und 20d (bzw. c bei 115 V). Noch einmalwird hier deutlich, wie sehr sich das Be-triebsverhalten des Transformators überdie Anordnung der Wicklungen – beimselben Kern – variieren lässt, mehr alsgenug, um nicht zu Gunsten einer be-stimmten Charakteristik die Verluste desTrafos künstlich erhöhen zu müssen.

Noch besser: Ringkerntrafos

Die besten Wirkungsgrade erreicht

man mit Ringkerntransformatoren, weilsich hier die Verwendung kornorientier-ten Bleches geradezu anbietet, denn beidieser Bauform verläuft das Feld im ge-samten Kern in Kornrichtung. Extremniedrige Leerlaufverluste sind die Folge.Darüber hinaus sprächen eine Reihe vontechnologischen Vorteilen wesentlichhäufiger für den Einsatz von Ringkern-transformatoren als diese tatsächlich zumEinsatz kommen: Sehr geringe Leerlauf-ströme, geringes Bauvolumen und dieUnabhängigkeit von irgendwelchen vor-

gegebenen Blechschnitten und Spulen-körpern. Die äußere Gestalt und dasVerhältnis von Kupfer-zu-Eisen-Einsatzkann sozusagen «stufenlos» frei gewähltwerden. Im Einzelfall kann bei sonstgleicher Fertigungs-Technologie auchvon der kreisrunden Ringform abgewi-chen werden. Als Mischform lassen sichdie Schnittbandkerne ansehen, die ähn-lich gute Gebrauchseigenschaften bieten.Als Sonderform hiervon gibt es auchRingkern-Transformatoren, deren Kernnicht ringförmig, aber deren Kernquer-schnitt kreisrund ist. Hier werden kreis-

runde Spulenkörper aus zwei Halbscha-len in Schnapptechnik verwendet, die auf dem Kern drehbar angebracht und somiterst nach der Montage bewickelt werden(Bild 19).

Die Spulenkörper herkömmlicherTransformatoren aber werden, wenn diegeforderte Leistung gerade noch einwenig unter der prinzipiellen Leistungs-fähigkeit der gewählten Baugröße liegt,häufig noch nicht einmal voll gewickelt,gerade so, als müsse eine bestimmte Min-desterwärmung unbedingt erreicht wer-

den. Im völligen Einklang hiermit hatsich eine Mentalität unter Produzentenwie Anwendern breitgemacht, die einenTrafo höherer Isolierstoffklasse als den

besseren ansieht. Physikalische Tatsacheist: Der Trafo mit der höheren Tempera-turklasse darf definitionsgemäß heißerwerden, und das tut er in der Regel auch.Warum sonst sollte der Hersteller die teu-reren Isolierstoffe einsetzen? Die Tempe-ratur liegt höher, die Verluste liegenhöher, und der Trafo bringt entsprechendmehr Wärme in das Gerät ein, in dem erzum Einsatz kommt. Er ist allenfalls einwenig kleiner, aber das ist sein einzigerVorteil, und der wird oft genug schon da-

durch mehr als aufgezehrt, als dass manwegen der höheren Temperatur mehr Ab-stand halten und wegen der höheren Ver-lustleistung mehr Aufwand zur Wärme-abfuhr treiben muss. Der Spannungsab-fall wird ebenfalls höher, was bei Gleich-richterlast zur Folge haben kann, dasseine höhere Bemessungsausgangsspan-nung gewählt werden muss und sich dieBauleistung wieder entsprechend ver-größert. Ein großes Trafowerk inDeutschland wird von mehreren Wettbe-werbern einhellig dafür kritisiert, dass essich mit seinen Transformatoren der

Temperaturklasse H (180°C Dauertem-

peratur) brüstet. In der Fachwelt musssich die Erkenntnis durchsetzen, dass derheißere Trafo nicht der bessere Trafo ist.

Gut oder billig? – Drei Bei-spiele qualitätsbewusster

ProduktionBeispiel 1: Spulenkörper werden voll

gewickelt

Bei einer dem Autoren bekanntenFirma wird der Inhaber nicht müde, sei-nen Kunden zu erklären, warum seineSpulenkörper immer vollgewickelt sind,und warum seine Transformatoren meistetwas – manchmal auch wesentlich – teu-rer sind als scheinbar gleiche Produktedes Wettbewerbs. Auch muss erklärt wer-den, warum der billigste Trafo oft zur teu-ersten Gesamtanlage führt. Offenbar ge-

lingt es, erfolgreiche Überzeugungsarbeitzu leisten, um auch wirtschaftlich damitErfolg zu erzielen.

Das Deutsche Kupferinstitut bietetdazu ein firmenneutrales Schrifttum an,in welchem die Zusammenhänge und dieSparpotenziale bei den Gesamtkostendargelegt werden.

Beispiel 2: Verwendung von korn-

orientiertem Blech

Eine andere bekannte Transformato-renfabrik zählt ebenfalls zu der Minder-

heit von Herstellern, die lieber gute alsbillige Produkte anbieten und damit Er-folg haben: Dort wird schon ab einerBauleistung von etwa 1 kVA grundsätz-lich nur kornorientiertes Blech einge-setzt. Das ist nicht einmal bei der vorhererwähnten üblich. Möglicherweise hängtes damit zusammen, dass die Transfor-matoren – hier in jedem Sinne des WortesSpartransformatoren – zum Teil in einemanderen Geschäftsbereich des eigenenWerkes in Energiesparanlagen eingebautwerden [18,19], ebenso wie spezielleStromrichter-Zwischenkreisdrosseln des-

selben Unternehmens [20].

Bild 20 Schaltung desTransformators

Bild 19 Rechteckiger Ringkern mit drehbarenSpulenkörpern

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Beispiel 3: Schichtung des Kerns

Auch im dritten Beispiel setzt man auf Wirkungsgrad [21]. Hinzu kommt ein be-sonderes patentiertes Verfahren derSchichtung des Kerns, das der Herstellerallerdings nicht preisgibt. Es soll aber er-möglichen, z.B. aus einem Kern der

Größe EI66 mit der größten genormtenSchichthöhe von 35 mm in der Tempera-turklasse ta40/B5 eine Bemessungsleis-tung von 74 VA zu ziehen – bei einemWirkungsgrad, der deutlich über demmarktüblichen Niveau liegt.

Natürlich ist eine solch hohe Leis-tungsdichte nur mit dem beim Großtrafoselbstverständlichen, beim Kleintrafoaber eher ungebräuchlichen kornorien-tierten Blech möglich. Wenn man diehohe Magnetisierbarkeit dieses Kernma-terials ausnutzt und die Flussdichte vonden üblichen Werten (um 1,3 T) auf etwa

1,7 T heraufsetzt, lässt sich natürlich einkleinerer Trafo bauen. Das kornorien-tierte Blech weist hierbei immer nochwesentlich niedrigere Verluste auf als dasübliche «Dyba» schon bei 1,3 T, und eskann auf eine kleinere Baugröße, zumin-dest eine kleinere Schichthöhe, gewech-selt werden.

Der so ausgelegte Trafo verbrauchtalso zwar wesentlich teureres Kernblech,hiervon jedoch weniger und als Folgeauch weniger Platz. Zudem hat ein klei-nerer Trafo auch weniger Oberfläche,

was bei gleicher Temperaturklasse schonimpliziert, dass die Verluste geringer seinmüssen.

Die Firma bietet eine «kompakte» undeine «ökonomische» Ausführung ihrerBaureihen an. Wer also unbedingt denMinimaltrafo haben will, soll ihn bekom-men, aber in der Ausführung ökonomischbringt es oben genannter EI66/35 «nur»auf 62 VA bei gleicher Temperaturklasse.

Ihren besten Wirkungsgrad erreichenTransformatoren bekanntlich generellnicht nahe der Bemessungsleistung, son-dern je nach Ausführung etwa bei

30%–60% dieses Wertes. Es ist also inAnwendungsfällen mit langen Betriebs-zeiten sinnvoll, die Bemessungsleistungsozusagen künstlich niedriger zu legenals von der zulässigen Erwärmung hermöglich bzw. einen größeren Transfor-mator zu kaufen als nötig.

Fazit

Die Unterschiede, die sich aus denKleintrafo-Bauformen ergeben, prägenderen Betriebsverhalten erheblich. Daher

sollten die Elektronikentwickler nicht biszuletzt mit der Auswahl des Netztransfor-mators warten, und nicht nur nach dessenäußerem Format und dem Preis entschei-

den, sondern versuchen, das für den be-treffenden Anwendungsfall günstigsteBetriebsverhalten zu ermitteln.

Beispielsweise hat ein EI66-Kern-schnitt (Bild 2, links) bei gleicherSchichthöhe den gleichen Eisenquer-schnitt wie ein EI66-Langschnitt (Bild 2,

Mitte) und ein UI66-Schnitt (Bild 2,rechts): nämlich jeweils ein Drittel derKernbreite b, hier also 22 mm, multipli-ziert mit der Schichthöhe. Das Wickel-fenster ist jedoch beim EI66-Langschnittgenau doppelt so groß, beim UI66 sogarviermal so groß wie beim EI66-Standard-schnitt. Die Windungszahlen werden alsobei gleicher Bemessungsspannung inallen drei Fällen gleich gewählt werden,der Drahtquerschnitt aber bei weitemnicht. Der UI-Schnitt verwendet im Prin-zip dieselben Spulenkörper wie der EI-Langschnitt, jedoch zwei Stück davon je

Trafo statt eines einzigen. Aus den unter-schiedlichen Verhältnissen von Eisen-querschnitt zu Kupferquerschnitt ergebensich Unterschiede im Betriebsverhalten.Erst recht wird dieses durch die Anord-nung der Wicklungen beeinflusst.

Halogenlampen-Transformatoren wer-den normalerweise entweder bei vollerLast betrieben oder vollständig (ein-gangsseitig) abgeschaltet. Geringere Ver-luste und bessere Spannungs-Konstanzbietet bei dieser Betriebsart ein Trafo mitrelativ viel Eisen. Optimal ist aus tech-

nisch-physikalischer Sicht hier wie fastimmer die Ringkern-Bauform. Elektroni-sche Transformatoren sollten jenen Fäl-len vorbehalten bleiben, wo Platzbedarf und Gewicht zum Problem werden kön-nen, aber ansonsten ist die konventionelleLösung aus Kupfer und Eisen robuster,überschaubarer und auch zum Parallelbe-trieb geeignet.

Bei der Elektronik hingegen kommt esdarauf an, was der Entwickler darausmacht: Dies ist allerdings nicht vonaußen ersichtlich. Prinzipiell bietet dieElektronik die Möglichkeit, einen Trans-

formator herzustellen, der nicht nur vielkleiner ist, sondern auch noch viel gerin-gere Verluste – vor allem praktisch keineLeerlaufverluste – aufweist. Unter demPreisdruck in der Praxis aber entwickeltder Elektroniker genau das Gegenteil.Probleme kann zudem die hohe Frequenzder Ausgangsspannung bereiten, was denParallelbetrieb unmöglich macht.

Beim Kleintrafo wird um jeden PreisKupfer gespart. Diese Sparsamkeit kannsehr teuer werden, wenn es darum geht,die entstehende Verlustwärme wieder ab-

zuführen. Eine hohe Temperaturklasse istkein Merkmal eines besonders gutenTransformators, sondern eines besondersheißen.

Wenn man bedenkt, dass bei den Spu-len, ob voll gewickelt oder nicht, dieWindungszahlen fix sind und nur amQuerschnitt des einzelnen Drahtes ge-spart werden kann, beim dünneren Drahtaber der Kilogrammpreis höher ist, wirddie ohnehin sehr fragwürdige Ersparnis

noch kleiner.

Literatur

[1] S. Fassbinder: Oberschwingungen im Griff. de 8/ 2001, S. 68.

[2] M. Fender: Vergleichende Untersuchungen derNetzrückwirkungen von Umrichtern mit Zwi-schenkreis bei Beachtung realer industriellerAnschlussstrukturen. Promotionsschrift, Wies-baden 1997

[3] Christopher H. Müller: Niederfrequente elektri-sche und magnetische Felder und Elektrosensibi-lität in der Schweiz. Bulletin SEV/VSE 91(2000)24.

[4] Gerhard Hosemann: Lassen sich elektromagneti-sche Felder verwalten? ETZ 3/1996, S. 32.

[5] Gerhard Hosemann: Elektromagnetische Felder

und noch kein Ende. ETZ 11/1996, S. 42.[6] Michael Konstanzer: Sanftes Einschalten indukti-

ver Lasten. ETZ 1/1995, S. 28.[7] Michael Konstanzer: Drehstromtransformatoren

sanft einschalten. ETZ 8/1995, S. 34.[8] Michael Konstanzer: Transformator-Sanft-Ein-

schalter spart Kosten. Elektro-Praktiker 6/1998,S. 524.

[9] Michael Konstanzer: Blindstrom-Kompensations-Kondensatoren sanft schalten. ETZ 16/1995, S. 44.

[10] Michael Konstanzer: Trafo-Einschalt-Stromstoss –beherrschen, verkleinern, begrenzen oder ver-meiden. DE 17/2000, S. 26.

[11] S. Fassbinder: Induktive Vorschaltgeräte – besserals ihr Ruf? DE 21/2002, S. 28, sowie KVG: Besserals ihr Ruf? ET Schweizer Zeitschrift für ange-

wandte elektrotechnik, 4/2003, S.65.[12] S. Fassbinder: Netzstörungen durch passive undaktive Bauelemente. VDE Verlag, Offenbach2002.

[13] Energiesparpotentiale bei Motoren und Transfor-matoren. Informationsdruck Best.-Nr. i001 desDeutschen Kupferinstituts, Düsseldorf, 1998

[18] Christiane Decker: Energie sparen mit EMU. de15-16/2000, S. 34

[19] Stefan Fassbinder: Sparen mit dem Spartrafo. de8/2000, S. 39, (verfügbar als Sonderdruck s183«Energie sparen mit Spartransformatoren» beimDeutschen Kupferinstitut, Düsseldorf)

[20] Thomas Bürkle: Wassergekühlte Zweipunkt-Zwi-schenkreisdrosseln. etz 22/2000, S. 18

[21] etz 7/1996, S. 92[22] Printtransformatoren sparen Energie. etz 22/

2000, S. 20

1 EI96 bedeutet: Der Kern besteht aus E- und I-förmigenBlechen von 96 mm Breite bzw. Länge (siehe auchBild 2).

2 Die Abkürzungen E und U sowie I beziehen sich auf die Blechform mit Maßen nach DIN 41302. Die einzel-nen Bleche werden entsprechend als «E-Blech», «U-Blech» oder «I-Blech» bezeichnet.

3 Die durchaus unterschiedlichen Auswirkungen desohmschen und des induktiven Spannungsfalls im Trafoim Falle ohmscher Belastung werden bei der Diskussionder Wirkungsgrade betrachtet.

4 Im vorliegenden Beispiel handelt es sich lediglich um

die ohmsche Komponente, da die reaktive bei Gleich-strom nicht vorhanden ist.

5 Umgebungstemperatur: 40 °C, Kupfertemperatur imDauerbetrieb: 120 °C

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